KR20200094604A - 회절격자 소자와 이를 포함하는 스크린 및 그 제조방법과 스크린을 포함하는 증강현실 및/또는 가상현실용 디스플레이 장치 - Google Patents

Abstract

회절격자 소자와 이를 포함하는 스크린 및 그 제조방법과 이를 포함하는 디스플레이 장치에 관해 개시되어 있다. 일 실시예에 의한 회절격자 소자는 투명기판과, 상기 기판 상에 배치된 회절격자를 포함하고, 상기 회절격자는 복수의 메타 회절패턴을 포함하고, 상기 복수의 메타 회절패턴은 상기 기판에 평행한 한 방향으로 볼록하다. 일 실시예에 의한 스크린은 제1 편광자와, 상기 제1 편광자 다음에 배치된 제2 편광자와, 상기 제2 편광자를 통과한 편광에 투명하고, 상기 편광에 수직한 편광은 반사시키는 회절격자를 포함하고, 상기 회절격자는 입사광의 진행방향으로 볼록하게 형성된 복수의 메타 회절패턴을 포함한다. 일 실시예에 의한 디스플레이 장치는 상기 스크린과 상기 스크린에 가상현실 이미지를 공급하는 영상 공급 유닛을 포함한다. 상기 스크린과 상기 영상 공급 유닛 사이에 반사부재를 더 포함할 수 있다.

Description

회절격자 소자와 이를 포함하는 스크린 및 그 제조방법과 스크린을 포함하는 증강현실 및/또는 가상현실용 디스플레이 장치{Grating device and screen including the same and method of manufacturing screen and display apparatus for augmented reality and/or virtual reality including screen}

본 개시는 회절요소와 이를 이용한 장치에 관한 것으로써, 보다 자세하게는 회절격자 소자와 이를 포함하는 스크린 및 그 제조방법과 이 스크린을 포함하는 증강현실 및/또는 가상현실용 디스플레이 장치에 관한 것이다.

가상현실은 컴퓨터로 만든 가상 세계이며, 인공현실, 사이버공간이라고도 한다. 가상현실은 다양한 분야에 이용될 수 있는데, 예를 들면 과학이나 의학분야의 실험실습에 적용될 수 있으며, 이를 통해 실제 실험을 한 것과 같은 효과를 가져올 수 있고, 몰입도 높은 교육도 가능하다.

가상현실이 컴퓨터 프로그램으로 만든 가상 세계에 접속해서 실제 세계에서처럼 시각, 청각 등의 감각을 경험할 수 있도록 마련된 것이라고 한다면, 증강현실은 실제 존재하는 현실 공간에 홀로그램 등으로 가상 물체를 겹쳐 보여준다는 점에서 가상현실과 차이가 있다.

증강현실은 현실 환경에 가상정보를 추가한 것으로 스마트폰의 위치 기반 서비스 등에서 찾아볼 수 있다. 가상현실이 실제 환경을 볼 수 없는 반면, 실제 환경에 가상정보를 섞는 증강현실은 더욱 심화된 현실감과 부가정보를 제공하는 기술이다.

본 개시는 고 입사각에 대한 회절효율을 높일 수 있는 회절격자 소자를 제공한다.

본 개시는 이러한 회절격자 소자를 포함하여 시야각을 증가시킬 수 있는 스크린을 제공한다.

본 개시는 이러한 회절격자 소자를 포함하여 증강현실 및/또는 가상현실을 선택적으로 표시할 수 있는 스크린을 제공한다.

본 개시는 이러한 스크린의 제조방법을 제공한다.

본 개시는 이러한 스크린을 포함하여 넓은 시야각을 가지면서 콘트라스트 조절도 가능한 증강현실 및/또는 가상현실용 디스플레이 장치를 제공한다.

본 개시에서 일 실시예에 의한 회절격자 소자는 기판과, 상기 기판 상에 배치된 회절격자를 포함하고, 상기 회절격자는 복수의 메타 회절패턴을 포함하고, 상기 복수의 메타 회절패턴은 상기 기판에 평행한 한 방향으로 볼록하다.

상기 복수의 메타 회절패턴에 45°이상의 입사각으로 입사되는 광에 대해서 상기 복수의 메타 회절패턴 각각은 자신의 상부면에서 반사된 광과 자신의 밑면에서 반사된 광이 서로 상쇄 간섭을 일으키는 높이를 가질 수 있다.

상기 기판과 상기 회절격자 사이에 마련된 유전층을 더 포함하고, 상기 유전층의 두께는 입사광의 파장의 n배(n=1,2,3..)일 수 있다.

상기 회절격자의 굴절률은 1.35~2.5일 수 있다.

상기 복수의 메타 회절패턴의 일부는 각각 주 회절패턴과 보조 회절패턴을 포함할 수 있다.

상기 복수의 메타 회절패턴들은 형성된 위치에 따라 서로 다른 회절특성을 나타내도록 배치될 수 있다.

상기 복수의 메타 회절패턴의 일부는 주 회절패턴만 포함할 수 있다.

상기 기판은 반사형 와이어 그리드 편광자를 포함할 수 있다.

상기 보조 회절패턴은 그 수가 증가하면서 고 회절효율을 얻을 수 있는 음의 회절각도 범위가 증가하도록 배치될 수 있다.

상기 복수의 메타 회절패턴에서 각 메타 회절패턴의 치수는 상기 복수의 메타 회절패턴에 입사되는 광의 파장보다 작을 수 있다.

일 실시예에 의한 스크린은 제1 편광자와, 상기 제1 편광자 다음에 배치된 제2 편광자와, 상기 제2 편광자를 통과한 편광에 투명하고, 상기 편광에 수직한 편광은 반사시키는 회절격자를 포함하고, 상기 회절격자는 입사광의 진행방향으로 볼록하게 형성된 복수의 메타 회절패턴을 포함한다.

일 예에서, 상기 제1 편광자와 상기 제2 편광자는 동일한 편광 특성을 가질 수 있다.

다른 예에서, 상기 제1 편광자와 상기 제2 편광자는 서로 반대되는 편광 특성을 가질 수 있다.

일 예에서, 상기 제1 편광자는 광축을 중심으로 회전 가능하도록 마련될 수 있다.

일 예에서, 상기 제1 편광자와 상기 제2 편광자 사이에 액정층이 더 구비될 수 있다. 상기 액정층은 상기 제1 편광자를 통과한 편광을 그대로 통과시키는 액정 배열 상태를 가질 수 있다. 다른 예에서, 상기 액정층은 상기 제1 편광자를 통과한 편광을 90°회전시키는 액정 배열 상태를 가질 수 있다.

일 실시예에 의한 디스플레이 장치는 이미지가 표시되는 스크린 및 상기 스크린에 가상현실 이미지를 공급하는 영상 공급 유닛을 포함하고, 상기 스크린은 상기 일 실시예에 의한 스크린을 포함한다.

일 예에서, 상기 스크린과 상기 영상 공급 유닛 사이에 배치된 것으로, 상기 가상현실 이미지를 상기 스크린으로 반사시키는 반사부재를 더 포함할 수 있다. 상기 반사부재는 상기 스크린에 대한 상기 가상현실 이미지의 입사각이 45°이상, 90°이하가 되도록 배치될 수 있다.

일 예에서, 상기 스크린은 사용자의 좌안에 대응하는 제1 스크린과, 사용자의 우안에 대응하는 제2 스크린을 포함하고, 상기 제1 및 제2 스크린은 안경테에 장착될 수 있다.

일 실시예에 의한 스크린의 제조방법은 제1 편광자 상에 제2 편광자를 형성하는 과정과, 상기 제2 편광자 상에 투명한 중간 물질층을 형성하는 과정과, 상기 중간 물질층 상에 상기 제2 편광자를 통과한 편광에 투명하고, 상기 편광에 수직한 편광은 반사시키는 회절격자를 형성하는 과정을 포함하고, 상기 회절격자는 복수의 메타 회절패턴을 포함하고, 상기 복수의 메타 회절패턴은 입사광의 진행방향으로 볼록하게 형성한다.

일 실시예에 의하면, 상기 제2 편광자를 형성하는 과정은 기판 상에 복수의 와이어 그리드 편광자 패턴을 형성하는 과정을 포함할 수 있다.

일 실시예에 의하면, 상기 중간 물질층을 형성하는 과정은 상기 복수의 와이어 그리드 편광자 패턴을 덮고, 상기 복수의 와이어 그리드 편광자 패턴 사이를 채우는 상기 중간 물질층을 상기 기판 상에 형성하는 과정을 포함할 수 있다.

다른 실시예에 의하면, 상기 중간 물질층을 형성하는 과정은 상기 복수의 와이어 그리드 편광자 패턴 사이에 보이드가 형성되도록 상기 기판 상에 상기 복수의 와이어 그리드 편광자 패턴을 덮는 상기 중간 물질층을 형성하는 과정을 포함할 수 있다. 상기 각 실시예에서 상기 중간 물질층의 두께를 줄이는 과정을 포함할 수 있다.

개시된 일 실시예에 의한 회절격자 소자에서 복수의 메타 회절패턴은 입사광에 대해 오목하게(입사광의 진행방향으로 볼록하게) 형성되어 있다. 이러한 복수의 메타 회절패턴은 75°이상의 입사각으로 비스듬히 입사되는 입사광에 대해서 0차 회절광을 상쇄시킬 수 있는 높이를 갖는다. 또한, 음의 회절광을 일으키는 위치에 배치된 메타 회절 패턴의 경우, 주 회절패턴과 함께 보조 회절패턴을 적절히 배치하여 2차 이상의 고차 회절광을 제거한다. 이에 따라 회절격자 소자는 1차 회절광에 대해서 1에 가까운 높은 회절효율을 얻을 수 있다.

또한, 회절패턴의 피치나 보조 회절패턴 수의 조절을 통해 회절광의 출력각(output angle)을 조절할 수 있으므로, 넓은 범위의 출력각을 확보할 수도 있다. 따라서 개시된 회절격자 소자가 디스플레이 장치에 적용되면서 디스플레이 장치의 시야각이 넓어질 수 있다.

개시된 회절격자 소자에 포함된 메타 회절패턴은 P-편광에 대해 투명하고, S-편광은 반사시킨다. 개시된 스크린은 안쪽에 이러한 회절격자 소자를 구비하고, 바깥쪽에는 외부 S-편광의 유입은 차단하고, 외부 P-편광의 유입은 선택적으로 조절할 수 있는 수단을 포함한다. 따라서 개시된 스크린을 이용할 경우, 상기 회절격자 소자의 이점은 그대로 누리면서 외부의 P-편광만 보거나 안쪽에서 공급되는 S-편광만 보거나 외부의 P-편광과 안쪽에서 공급되는 S-편광을 겹쳐서 동시에 볼 수 있다.

개시된 디스플레이 장치는 영상을 표시하는데 이러한 스크린을 사용하고, 현실 세계의 실제 이미지를 P-편광으로 공급하고, 가상현실의 이미지를 S-편광으로 공급한다. 따라서 개시된 디스플레이 장치는 상기 스크린의 동작제어를 통해 증강현실 및/또는 가상현실 디스플레이 장치로 사용될 수 있다. 또한, 개시된 스크린은 외부 P-편광의 유입을 조절할 수 있으므로, 이러한 기능을 사용하여 스크린에 표시되는 영상의 콘트라스트도 조절할 수 있다.

아울러, 개시된 회절격자 소자에서 회절요소들은 굴절률이 2.5이하인 물질(예컨대, 폴리머)로 형성된다. 이에 따라 개시된 회절격자 소자는 나노 임프린트 제조방법을 사용하여 형성할 수 있으므로, 대구경의 회절격자 소자를 용이하게 형성할 수 있을 뿐만 아니라 생산 비용도 줄일 수 있다.

도 1은 일 실시예에 의한 회절격자 소자를 나타낸 평면도이다.
도 2는 도 1의 측면도이다.
도 3은 도 1을 3-3’방향으로 절개한 단면도이다.
도 4는 도 1의 제1 영역(A1)을 확대한 평면도이다.
도 5는 도 1의 제2 영역(A2)을 확대한 평면도이다.
도 6은 도 5를 6-6’방향으로 절개한 단면도이다.
도 7은 일 실시예에 의한 회절격자 소자를 포함하는, 증강현실(AR) 및/또는 가상현실(VR)용 제1 스크린을 나타낸 사시도이다.
도 8은 일 실시예에 의한 회절격자 소자를 포함하는, 증강현실(AR) 및/또는 가상현실(VR)용 제2 스크린를 나타낸 사시도이다.
도 9는 일 실시예에 의한 증강현실 및/또는 가상현실용 제1 디스플레이 장치를 나타낸 단면도이다.
도 10은 다른 실시예에 의한 증강현실 및/또는 가상현실용 제2 디스플레이 장치를 나타낸 단면도이다.
도 11과 도 12는 도 10의 디스플레이 장치가 안경 형태로 만들어진 경우에 대한 일 예를 나타낸 사시도로써, 도 11은 증강 현실을 보여주고, 도 12는 가상현실만 보여준다.
도 13 내지 도 18은 일 실시예에 의한 스크린에서 메타 표면을 갖는 회절 플레이트를 편광자 상에 형성하는 과정을 단계별로 나타낸 단면도들이다.

이하, 일 실시예에 의한 회절격자 소자와 이를 포함하는 스크린 및 그 제조방법과 스크린을 포함하는 증강현실 및/또는 가상현실용 디스플레이 장치를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다.

도 1은 일 실시예에 의한 회절격자 소자를 보여준다.

도 1을 참조하면, 회절격자 소자(30)는 기판(32)과 기판(32) 상에 형성된 복수의 회절패턴(34)을 포함한다. 회절격자 소자(30)의 투명도(transparency)는 입사광(L1)의 편광 특성에 따라 다를 수 있다. 일 예로, 입사광(L1)이 P-편광인 경우, 회절격자 소자(30)의 평균 투명도(average transparency)는 90% 이상일 수 있다. 곧, P-편광에 대해 회절격자 소자(30)는 투명할 수 있다. 반면, 입사광(L1)이 S-편광인 경우, 회절격자 소자(30)는 투명하지 않을 수 있다. 일 예로, 입사광(L1)이 S-편광인 경우, 입사광(L1)은 회절격자 소자(30)에서 반사될 수 있다. 따라서 회절격자 소자(30)에 형성되는 복수의 회절패턴(34)은 회절격자 소자(30)의 이러한 편광 특성을 고려하여 형성될 수 있다. 기판(32)은 입사광(L1)에 투명한 기판일 수 있다. 일 예로, 기판(32)은 SiO2 기판일 수 있다. 복수의 회절패턴(34)은 서로 이격되어 있다. 복수의 회절패턴(34) 전체를 편의상 회절격자 혹은 회절격자층이라 칭한다. 복수의 회절패턴(34)은 모두 곡선 형태로 형성되어 있다. 복수의 회절패턴(34)은 입사광이 진행하는 방향으로 파원이 퍼져가는 형태로 마련될 수 있다. 달리 말하면, 복수의 회절패턴(34)은 입사광(L1)에 대해 오목하게(입사광(L1)의 진행 방향으로 볼록하게) 분포할 수 있다. 복수의 회절패턴(34)의 일부의 곡률은 나머지와 다를 수 있다. 일 예로, 복수의 회절패턴(34)의 곡률은 입사광(L1)이 진행하는 방향인 x축 방향으로 갈수록 점차 증가할 수 있다. 다른 실시예에서, 복수의 회절패턴(34) 중 x축 방향으로 처음 몇 개의 회절패턴의 곡률은 서로 동일할 수 있고, 나머지 회절패턴의 곡률은 상기 처음 몇 개의 회절패턴의 곡률과 다를 수 있으며, 상기 나머지 회절 패턴의 곡률은 x축 방향으로 갈수록 증가할 수 있다. 복수의 회절패턴(34)의 곡률의 증가 정도는 사용되는 광의 파장을 고려하여 제조 단계에서 조절될 수 있다. 복수의 회절패턴(34)의 곡률이 영역에 따라 다를 수 있는 바, 복수의 회절패턴(34) 사이의 피치는 회절패턴(34)이 배치된 영역에 따라 달라질 수 있다. 일 예로, 복수의 회절패턴(34) 중 일부의 회절패턴들은 제1 피치(P1)를 갖도록 분포될 수 있고, 일부의 다른 회절패턴들은 제1 피치(P1)와 다른 제2 피치(P2)를 갖도록 분포될 수 있다. 다른 예에서, 복수의 회절패턴(34)의 피치는 전체적으로 다를 수 있다. 예컨대, x축 방향으로 갈수록 복수의 회절패턴(34)의 피치는 감소하거나 증가할 수 있다. 또한, 복수의 회절패턴(34) 중 이웃한 2개의 회절패턴의 피치, 예컨대 제2 피치(P2)는 회절패턴을 따라 변할 수도 있다. 곧, 제2 피치(P2)는 중심영역에서 위 또는 아래로 y축 방향으로 가면서 증가하거나 감소할 수 있다. 제1 피치(P1)도 유사하게 변할 수 있다.

회절격자 소자(30)는 입사광(L1)을 회절시켜 입사광(L1)의 진행방향에 변화를 준다. 이러한 변화는 복수의 회절패턴(34)에 의해 일어난다. 복수의 회절패턴(34)은 입사광(L1)이 사용자(40)를 향하도록 입사광(L1)을 회절시킨다. 복수의 회절패턴(34)이 형성될 때, 이러한 점을 고려하여 회절패턴(34)의 치수(dimesion)(높이, 피치, 곡률, 굴절률 등)가 결정될 수 있다. 복수의 회절패턴(34)은 복수의 메타 패턴일 수 있다. 곧, 복수의 회절패턴(34)은 복수의 메타 회절패턴일 수 있다. 따라서 기판(32) 상에는 복수의 회절패턴(34)으로 이루어지는 메타 표면이 존재할 수 있다. 복수의 회절패턴(34)은 메타 패턴이므로, 그 높이, 폭, 피치 등은 입사광(L1)의 파장보다 작을 수 있다. 예컨대, 회절패턴(34)의 높이, 폭, 피치 등은 입사광(L1)의 파장의 ½ 이하일 수 있다. 입사광(L1)은 S-편광(polarization)이거나 S-편광을 포함할 수 있다. 복수의 회절패턴(34)은 P-편광에 대해 투명하고, S-편광은 반사시킨다. 복수의 회절패턴(34)의 P-편광에 대한 평균 투명도는 90% 이상, 일 예로 92% 이상일 수 있다. 회절격자 소자(30)가 가상현실 디스플레이 장치에 사용되는 경우, 입사광(L1)은 S-편광의 가상현실 이미지를 포함하는 광일 수 있다. 따라서 복수의 회절패턴(34)은 가상 현실 이미지를 반사시키는데 사용될 수 있다.

복수의 회절패턴(34)은 이러한 편광 특성을 만족시키는 물질로써, 굴절률은 2.5 이하일 수 있다. 일 예로 복수의 회절패턴(34)의 굴절률은 1.35~2.5 정도일 수 있다. 복수의 회절패턴(34)은 폴리머(polymer) 또는 SiO2와 같은 저 손실 유전체 물질을 포함하여 형성된 것일 수 있다. 여기서‘저 손실’은 입사광 흡수 손실이 낮음을 의미한다. 곧, 복수의 회절패턴(34)에 의한 입사광의 흡수 손실은 낮다. 복수의 회절패턴(34)의 높이는 입사광(L1)의 파장과 연계하여 결정될 수 있다. 이렇게 함으로써, 상쇄 간섭을 통해 회절의 영차(zeroth order) 광을 제거할 수 있다. 예컨대, 복수의 회절패턴(34)의 상부면에서 반사되는 광과 복수의 회절패턴(34)의 바닥에서 반사되는 광 사이에 경로차가 발생되는데, 복수의 회절패턴(34)의 높이는 상기 경로차가 상기 상부면에서 반사되는 광과 상기 바닥에서 반사되는 광 사이에 상쇄간섭이 일어나는 조건을 갖는 만족하는 높이로 설정할 수 있다. 이러한 높이 특성은 회절효율을 높이는 한 원인이 될 수 있다. 복수의 회절패턴(34)은 또한 주어진 필 팩터(fill factor)를 갖도록 마련될 수 있다. 상기 필 팩터는 한 개의 주기 상에 있는 회절격자 커버리지(grating coverage)로 정의된다. 일 예에서 복수의 회절패턴(34)의 필 팩터는 입사광에 대해서 각 회절패턴(34)의 상부면으로부터 반사된 광의 퍼센트와 각 회절패턴(34)의 바닥면으로부터 반사된 광의 퍼센트가 동일하도록 설정될 수 있다. 이때, 광 흡수손실(absorption loss)은 제외된다. 이러한 필 팩터는 입사광, 광 흡수율, 회절패턴(34)의 굴절률 등에 따라 달라질 수 있다. 복수의 회절패턴(34)의 굴절률이 낮을 수록 보다 큰 필 팩터가 요구될 수 있다.

도 2는 도 1의 측면도이다. 도 2에서는 편의상 복수의 회절패턴(34)은 생략하였다.

도 1과 도 2를 참조하면, 회절격자 소자(30)에 입사되는 광(L1)은 회절격자 소자(30)의 회절패턴(34)이 형성된 영역 전체에 입사될 수 있다. 입사광(L1)은 회절패턴(34)에 의해 회절되어 사용자(40)를 향하므로, 회절패턴(34)이 형성된 영역에서 서로 다른 영역에 입사되는 입사광(L1)의 회절 방향은 서로 달라진다. 일 예로, 도 2에 도시한 바와 같이, 광원(42)으로부터 입사광(L1)이 기판(32)의 좌측단에 입사될 경우, 입사광(L1)은 광원(42)이 있는 방향과 반대 방향으로 제2 출력각(θ2)으로 회절되어 사용자(40)에 입사된다. 제2 출력각(θ2)은, 예를 들면 55°이상이 될 수 있다. 그리고 입사광(L1)이 기판(32)의 우측단에 입사되는 경우, 입사광(L1)은 광원(42)이 있는 쪽으로 제1 출력각(θ1)으로 회절되어 사용자(42)에 입사된다. 제1 출력각(θ1)은, 예를 들면 55°이상이 될 수 있다. 제1 및 제2 출력각(θ1, θ2)을 고려할 때, 회절격자 소자(30)는 110°이상의 시야각을 제공할 수 있다. 따라서 회절격자 소자(30)가 적용된 디스플레이의 경우, 적어도 110°정도의 시야각을 확보할 수 있다.

계속해서, 입사광(L1)이 기판(32)의 좌측단과 우측단 사이에 입사되는 경우, 입사되는 위치에 따라 광원(42)이 있는 방향과 반대 방향으로 제2 출력각(θ2)보다 작은 출력각으로 회절되거나 광원(42)이 있는 방향으로 제1 출력각(θ1)보다 작은 출력각으로 회절될 수 있다. 도 2에서 입사광(L1)의 입사각(θin)은 45°이상, 90°이하일 수 있는데, 일 예로 75°이상, 90°이하일 수 있다. 이와 같이, 기판(32) 상의 복수의 회절패턴(34)이 형성된 영역에 입사되는 입사광(L1)이 회절패턴(34)에 의해 회절되어 출력되는 출력각(θ1, θ2)은 입사광(L1)이 입사되는 영역에 따라 달라지는데, 출력각(θ1, θ2), 곧 회절광의 회절방향은 회절패턴의 치수나 구성과 관련되어 있다. 따라서 복수의 회절패턴(34)의 치수나 구성은 복수의 회절패턴(34)이 형성되는 위치에 따라 달라질 수 있다. 회절패턴의 치수나 구성과 회절방향(또는 출력각)의 관계에 대한 설명은 한국 특허출원 2018-141133호(2018.11.15)에 자세하게 기재되어 있다.

도 1과 도 2를 참조하면, 회절격자 소자(30)는 렌즈처럼 입사광(L1)을 사용자(40)로 집중시키는 포커싱(focusing) 기능을 갖는 것을 알 수 있다. 이에 따른 회절격자 소자(30)의 개구수(Numerical Aperture, NA)는, 예를 들면 0.82 정도일 수 있다.

도 3은 도 1을 3-3’방향으로 절개한 단면도이다.

도 3을 참조하면, 기판(32) 상에 복수의 회절패턴(34)이 배치되어 있다. 복수의 회절패턴(34)은 서로 이격되어 있다. 복수의 회절패턴(34)의 일부는 제1 피치(P1)로 배치되어 있고, 다른 일부는 제2 피치(P2)로 배치되어 있으며, 또 다른 일부는 제3 피치(P3)로 배치되어 있다. 제1 내지 제3 피치(P1-P3)는 서로 동일할 수도 있고, 서로 다를 수도 있으며, 일부는 동일하고 일부는 다를 수도 있다. 일 예로, 제1 피치(P1)가 가장 크고, 제3 피치(P3)가 가장 작을 수 있다. 이러한 피치의 변화는 광원(42)과 각 회절패턴(34) 사이의 거리와 관계가 있을 수 있다. 복수의 회절패턴(34)은 동일한 높이와 폭을 갖는 것으로 도시하였지만, 이는 도시의 편의상 그렇게 한 것이며, 복수의 회절패턴(34)의 일부의 높이는 나머지와 다를 수 있다. 또한, 각 회절패턴(34)의 구성은 회절패턴(34)이 형성된 위치에 따라 다를 수 있는데, 이에 대해서는 후술된다.

도 4는 도 1의 제1 영역(A1)을 확대하여 보여준다.

도 4를 참조하면, 제1 영역(A1)은 기판(32) 상에 형성된 1개의 제1 회절패턴(34P)을 포함한다. 제1 회절패턴(34P)은 휘어져 있다. 곧, 제1 회절패턴(34P)은 광원(42)에 대해 오목하며, 광원(42)으로부터 멀어지는 방향으로, 입사광(4L1)의 진행방향으로 볼록하다. 제1 회절패턴(34P)은 너비(W1)를 갖는다. 너비(W1)는 복수의 회절패턴(34) 전체에서 동일할 수도 있으나, 회절패턴(34)이 형성된 위치에 따라 달라질 수도 있다.

도 5는 도 1의 제2 영역(A2)을 확대하여 보여준다.

도 5를 참조하면, 제2 영역(A2)에서 회절패턴(34)은 복수의 회절요소(34A-34C)를 포함한다. 곧, 회절패턴(34)은 주 회절패턴(34A)과 제1 보조 회절패턴(34B)과 제2 보조 회절패턴(34C)을 포함한다. 주 회절패턴(34A)과 제1 및 제2 보조 회절패턴(34B, 34C)은 모두 휘어져 있고, 서로 평행하다. 주 회절패턴(34A)이 너비(W2)는 보조 회절패턴(34B, 34C) 각각의 너비(W3, W4)보다 넓다. 보조 회절패턴(34B, 34C)의 너비(W3, W4)는 서로 동일하거나 다를 수 있다. 다른 예에서, 회절패턴(34)은 주 회절패턴(34A)과 함께 1개의 보조 회절패턴, 예컨대 제1 보조 회절패턴(34B)만 포함할 수도 있다. 또 다른 예에서, 회절패턴(34)은 제3의 보조 회절패턴을 더 포함할 수 있다. 상기 보조 회절패턴들은 그 수가 증가하면서 고 회절효율을 얻을 수 있는 음의 회절각도 범위가 증가하도록 배치될 수 있다. 회절패턴(34)에 포함된 보조 회절패턴의 수를 조절하여 2차 이상의 고차 회절광을 제거할 수 있다. 또한, 주 회절패턴(34A)의 높이(도 6의 H1)는 0차 회절광이 상쇄되는 조건을 만족하는 높이로 설정함으로써, 0차 회절광도 제거할 수 있다. 상기 조건은 주 회절패턴(34A)이 주 회절패턴(34A)의 상부면과 밑면에서 각각 반사되는 광이 서로 상쇄되는 높이를 갖는 것일 수 있다. 이에 따라 45° 이상의 큰 입사각으로 비스듬하게 입사되는 입사광에 대한 1차 회절광의 회절효율이 높아질 수 있다. 또한, 출력각도 크게 할 수 있어, 결과적으로 시야각이 넓어질 수 있다. 주 회절패턴(34A)과 보조 회절패턴(34B, 34C)과 관련된 이러한 회절특성은 상기한 한국 특허출원에 자세하게 설명되어 있다.

도 6은 도 5를 6-6’방향으로 절개한 단면을 보여준다.

도 6을 참조하면, 주 회절패턴(34A)과 제1 및 제2 보조 회절패턴(34B, 34C)은 서로 동일한 높이(H1)를 갖는다. 주 회절패턴(34A)과 제1 및 제2 보조 회절패턴(34B, 34C)은 서로 동일한 간격으로 이격되어 있으나, 서로 다를 수도 있다. 예컨대, 주 회절패턴(34A)과 제1 보조 회절패턴(34B) 사이의 간격이 제1 보조 회절패턴(34B)과 제2 보조 회절패턴(34C) 사이의 간격보다 넓을 수 있다.

한편, 제2 영역(A2)외 다른 영역의 회절패턴(34)의 경우, 주 회절패턴과 함께 동반되는 보조 회절패턴의 수는 1개, 2개 또는 3개 일 수 있으며, 3개 이상일 수도 있다.

다음에는 앞에서 설명한 회절격자 소자를 포함하는, 일 실시예에 의한 증강현실 및/또는 가상현실 이미지를 표시하는데 사용될 수 있는 스크린에 대해 설명한다.

도 7은 일 실시예에 의한 회절격자 소자를 포함하는, 증강현실(AR) 및/또는 가상현실(VR)용 스크린(DP1)(이하, 제1 스크린)을 보여준다.

도 7을 참조하면, 제1 스크린(DP1)은 제1 편광자(52), 액정층(54), 제2 편광자(56) 및 회절 플레이트(58)를 포함한다. 일 예에서, 제2 편광자(56)와 회절 플레이트(58)를 결합한 것이 도 1 내지 도 5에서 설명한 회절격자 소자에 대응될 수 있다. 곧, 제2 편광자(56)는 도 1 내지 도 5에서 설명한 회절격자 소자의 기판(32)이 될 수 있고, 회절 플레이트(58)는 도 1 내지 도 5에서 설명한 회절격자 소자의 복수의 회절패턴(34)을 포함하는 메타 표면층일 수 있다. 다른 예에서, 회절 플레이트(58)는 도 1 내지 도 5에서 설명한 회절격자 소자일 수 있다. 이 경우, 회절격자 소자의 기판(32)은 제2 편광자(56)와 복수의 회절패턴(34) 사이에 삽입된 유전층일 수 있다. 제1 편광자(52)는 흡수 또는 반사 편광자를 포함할 수 있다. 제1 편광자(52)는 P-편광에 투명하고, S-편광은 차단하는 편광자일 수 있다. 따라서 외부의 자연광(L2)이 제1 편광자(52)를 통과할 경우, 자연광(L2)은 P-편광(L2P)이 된다. 이에 따라 액정층(54)에는 P-편광(L2P)이 입사된다. 액정층(54)은 액정 디스플레이(LCD)에 사용되는 액정을 포함하는 층일 수 있다. 액정층(54)은 인가 전압 여부에 따라 입사되는 광의 선편광을 그대로 통과시키거나 회전시킨다. 액정층(54)에 인가되는 전압은 조절함으로써, 액정층(54)에 포함된 액정의 회전 정도를 조절할 수 있다. 그러므로 액정층(54)에 입사되는 선편광의 회전 정도는 액정측(54)에 인가되는 전압을 조절하여 조절할 수 있다. 일 예로, 액정층(54)에 인가되는 전압을 조절하여 액정층(54)에 입사되는 P-편광(L2P)을 90°로 회전시킬 수도 있고, 다른 예에서, 0°와 90° 사이의 각으로 회전시킬 수도 있다. 이에 따라 액정층(54)을 거쳐 제2 편광자(56)에 입사되는 광량은 액정층(54)에 인가되는 전압 조절을 통해 조절될 수 있다.

제1 스크린(DP1)에서 액정층(54)에 P-편광(L2P)이 입사될 경우, 액정층(54)에 대한 전압 인가 여부에 따라 제2 편광자(56)에 P-편광(L2P)이 그대로 입사되거나 P-편광(L2P)이 90°회전된 상태의 편광, 곧 S-편광이 입사되게 할 수 있다. 제2 편광자(56)는 제1 편광자(52)와 동일한 편광 특성을 가질 수 있다. 따라서 제2 편광자(56)는 P-편광에 투명하고, S-편광은 차단 혹은 반사시킨다. 제2 편광자(56)는, 일 예로 반사 와이어 그리드 편광자(Wire Grid Polarizer)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 편광자(52, 56)와 액정층(54)의 동작 특성을 고려할 때, 액정층(54)에 대한 전압 인가 여부에 따라 외부에서 입사되는 광(L2)이 차단될 수도 있고, 외부광(L2)의 P-편광(L2P)이 회절 플레이트(58)에 도달될 수 있다. 회절 플레이트(58)에 도달되는 P-편광(L2P)은 제1 스크린(DP1) 바깥의 모습을 담은 이미지, 곧 현실 세계의 이미지를 포함할 수 있다. 회절 플레이트(58)는 뒤에서 입사되는 P-편광(L2P)에 대해서는 투명하고, 앞쪽에서 입사되는 S-편광(L1)은 반사시킨다. P-편광(L2P)이 오는 곳과 S-편광(L1)이 오는 곳은 서로 다를 수 있다. S-편광(L1)은 가상현실 이미지를 포함할 수 있다. 회절 플레이트(58)에 의한 S-편광(L1)의 반사는 S-편광(L1)에 대한 회절 플레이트(58)의 회절결과로 나타난다. 곧, S-편광(L1)은 회절 플레이트(58)에 의해 전방으로(곧, P-편광(L2P)이 진행하는 방향으로) 회절되는데, 결과적으로 S-편광(L1)은 회절 플레이트(58)에서 반사된 것처럼 나타난다. 회절 플레이트(58)는 상기한 바와 같이 도 1의 회절격자 소자이거나 도 1의 회절격자 소자의 복수의 회절패턴(34)으로 이루어진 메타 표면층일 수 있다. 도 1의 회절격자 소자의 메타 패턴들(34)은 형성될 때, S-편광과 P-편광에 대한 상기 광학적 반응이 나타나도록 설계될 수 있다. 도 7의 제1 스크린(DP1)에 포함된 요소들(52, 54, 56, 58)은 서로의 영역을 침범하지 않도록 서로 접촉될 수 있다. 이에 따라 제2 편광자(56)와 회절 플레이트(58)는 서로 부착될 수 있고, 이 상태에서 제2 편광자(56)는 회절 플레이트(58)에 입사되는 광(L1)을 반사시키는 반사체로 사용될 수 있다.

제1 스크린(DP1)은 증강현실 및 가상현실 겸용으로 사용될 수 있지만, 증강현실 전용 혹은 가상현실 전용으로 사용될 수도 있다.

제1 스크린(DP1)이 증강현실 전용으로 사용되는 경우, 가상현실 이미지와 더불어 현실 세계의 이미지가 사용자에게 도달되어야 하므로, 외부광(L2)에 포함된 P-편광(L2P)이 회절 플레이트(58)에 도달되어야 한다. 따라서, 회절 플레이트(58) 앞에 배치된 요소들(52, 54, 56)을 포함하는 영역의 구성은 P-편광이 회절 플레이트(58)에 도달되게 하는 구성이 될 수 있다. 일 예로, 액정층(54)은 입사되는 P-편광(L2P)을 회전없이 그대로 통과시키는 상태로 유지될 수 있다. 다른 예에서, 액정층(54)을 생략할 수도 있고, 또 다른 예에서 액정층(54)과 제1 편광자(52)를 함께 생략할 수도 있다.

제1 스크린(DP1)이 가상현실 전용으로 사용되는 경우, 현실 세계의 이미지가 사용자에게 전달되는 것은 차단하고, 사용자에게는 가상 현실 이미지만 전달되어야 한다. 따라서 액정층(54)은 입사되는 P-편광(L2P)을 90°회전시키는 상태로, 곧 P-편광(L2P)을 S-편광으로 변화시키는 상태로 유지한다. 이러한 상태를 유지하기 위해 액정층(54)에 전압이 인가될 수 있다.

다음, 도 8은 일 실시예에 의한 회절격자 소자를 포함하는, 증강현실(AR) 및/또는 가상현실(VR)용 스크린(DP2)(이하, 제2 스크린)을 보여준다. 도 7의 제1 스크린(DP1)에서 설명한 부재와 동일한 부재에 대해서는 동일한 참조번호를 사용하고 그에 대한 설명은 생략한다.

도 8을 참조하면, 제2 스크린(DP2)은 회전 편광자(62)와, 제2 편광자(56)와, 메타 표면을 갖는 회절 플레이트(58)를 포함한다. 제2 편광자(56)와 회절 플레이트(58)는 서로의 영역을 침범하지 않는 상태에서 서로 접촉될 수 있다. 회전 편광자(62)는 제2 스크린(DP2)의 광축(LA)을 중심으로 회전될 수 있다. 회전 편광자(62)는 회전이 가능하도록 제2 편광자(56)에 결합될 수 있다. 여기서 결합은 회전 편광자(62)의 회전이 허용되는 범위에서 회전 편광자(62)와 제2 편광자(56)가 부착된 경우를 포함할 수도 있고, 다른 부재를 매개로 회전 편광자(62)와 제2 편광자(56)가 서로 결합된 경우를 포함할 수도 있다. 상기 다른 부재는 회전 편광자(62)의 회전을 원활하게 하는 부재를 포함할 수 있다. 회전 편광자(62)의 회전을 위한 것으로, 제어 가능한 전기적 혹은 기계적 수단(예, 스텝모터 등)이 구비될 수 있다. 다른 실시예에서 회전 편광자(62)의 회전은 수동으로 이루어질 수 있는데, 예컨대 사용자가 손으로 원하는 정도로 회전 편광자(62)를 회전시킬 수도 있다.

회전 편광자(62)가 회전되지 않은 상태에서 회전 편광자(62)는 P-편광에 투명하고, S-편광은 차단하는 편광자이거나 이러한 편광자를 포함할 수 있다. 따라서 회전 편광자(62)가 회전되지 않은 상태에 있을 때, 회전 편광자(62)를 거쳐 제2 편광자(56)에 P-편광(L2P)이 입사될 수 있다. 일 예에서 회전 편광자(62)는 90° 회전될 수 있고, 다른 예에서 0°에서 90°사이의 각으로 회전될 수도 있으며, 90° 이상으로 회전될 수도 있다. 따라서 회전 편광자(62)의 회전 정도를 조절함으로써, 제2 편광자(56)에 도달되는 P-편광(L2P)의 광량을 조절할 수 있다. 그러므로 P-편광(L2P)이 외부 현실 세계의 이미지를 포함하는 광이라면, 회전 편광자(62)의 회전 정도를 조절함으로써, 상기 회부 현실 세계의 이미지의 밝기를 조절할 수도 있다. 따라서 회전 편광자(62)의 회전 정도를 조절함으로써, 상기 회부 현실 세계의 이미지와 가상 현실의 이미지가 겹쳐질 때, 양쪽 이미지 간의 콘트라스트를 조절할 수도 있다.

회전 편광자(62)가 90° 회전된 경우, 회전 편광자(62)는 S-편광에 투명하고, P-편광은 차단한다. 따라서 회전 편광자(62)가 90° 회전된 경우, 회전 편광자(62)를 거쳐 S-편광이 제2 편광자(56)에 도달된다. 제2 편광자(56)는 P-편광에 투명하고, S-편광을 차단한다. 따라서 제2 편광자(56)에 도달된 S-편광은 제2 편광자(56)를 통과하지 못하며, 결과적으로 회전 편광자(62)가 90° 회전된 경우, 외부광(L2)은 회절 플레이트(58)에 도달되지 않는다. 따라서 회절 플레이트(58) 뒤쪽에서 볼 수 있는 광은 회절 플레이트(58) 뒤쪽에서 회절 플레이트(58)에 조사된 광(L1) 중에서 회절 플레이트(58)로부터 반사된 광만 볼 수 있다. 반사된 광은 회절 플레이트(58)의 회절 작용에 따라 나타난다.

제2 스크린(DP2)은 증강현실 및/또는 가상현실용 디스플레이 장치의 스크린으로 사용될 수 있지만, 증강현실 전용 혹은 가상현실 전용 디스플레이 장치의 스크린으로 사용될 수도 있다.

예를 들어, 제2 스크린(DP2)에서 회전 편광자(62)가 90도 회전된 상태로 유지될 경우, 회전 편광자(62)는 S-편광만 통과시키는 편광자와 같게 되므로, 회전 편광자(62)과 제2 편광자(56)의 편광 상태는 서로 수직하게 된다. 이에 따라 외부광(L2)은 회절 플레이트(58)에 도달되지 않는다. 그러므로 회절 플레이트(58) 뒤쪽에서 회절 플레이트(58)에 입사되는 광(L1)의 반사광만 볼 수 있게 되는 바, 제2 스크린(DP2)은 가상현실 전용 디스플레이 장치의 스크린이 될 수 있다.

제2 스크린(DP2)에서 회전 편광자(62)가 회전되지 않은 상태로 유지되는 경우, 곧 회전 편광자(62)가 제2 편광자(56)와 동일한 편광 상태를 유지하는 경우, P-편광(L2P)이 회전 편광자(62)와 제2 편광자(56)을 거쳐 회절 플레이트(58)에 입사된다. 회절 플레이트(58)는 P-편광(L2P)에 대해 투명하므로, 회절 플레이트(58)를 통해 P-편광(L2P)을 볼 수 있고, 이와 함께 회절 플레이트(58) 뒤쪽에서 회절 플레이트(58)에 입사되는 광(L1)의 반사광도 볼 수 있다. 결국, 회절 플레이트(58)로부터 현실 세계의 이미지를 포함하고 있는 P-편광(L2P)과 가상 현실 이미지를 포함하고 있는 광(L1)의 반사광을 함께 볼 수 있는 바, 제2 스크린(DP2)은 현실 세계의 이미지에 가상 현실 이미지를 겹쳐 볼 수 있는 증강 현실 전용 디스플레이 장치의 스크린이 될 수 있다.

도 9는 일 실시예에 의한 증강현실 및/또는 가상현실용 디스플레이 장치(이하, 제1 디스플레이 장치)를 보여준다.

도 9를 참조하면, 제1 디스플레이 장치(DA1)는 이미지나 영상이 표시되는 스크린(70)과 스크린(70)에 가상 현실 이미지나 영상을 공급하는 가상 이미지 공급 유닛(72)을 포함한다. 스크린(70)은 도 7의 제1 스크린(DP1) 또는 도 8의 제2 스크린(DP2)이거나 제1 스크린(DP1)이나 제2 스크린(DP2)을 포함할 수 있다. 가상 이미지 공급 유닛(72)은 스크린(70)에 가상 현실을 투사하는 디스플레이 유닛(projection display unit)이거나 이러한 유닛을 포함할 수 있다. 스크린(70)을 통해서 외부광(RL)이 사용자(74)에 전달되는데, 사용자(74)의 눈에 전달될 수 있다. 외부광(RL)은 도 7과 도 8에서 설명한 외부광(L2)일 수 있다. 가상 이미지 공급 유닛(72)에서 방출된 광(VL)은 가상 현실을 포함하는 것으로, 스크린(70)에서 반사되어 사용자(74)에 전달된다. 사용자(74)에게 스크린(70)을 통해서 외부광(RL)과 가상 현실을 포함하는 광(VL)이 함께 전달된다. 이에 따라 사용자(74)는 증강현실을 보게 된다.

한편, 도 9의 아래 도면에 도시한 바와 같이, 스크린(70)을 제어하여 외부광(RL)을 차단하는 경우, 사용자(74)에게는 가상 현실을 포함하는 광(VL)만 전달된다. 따라서 사용자(74)는 가상현실만 보게 된다.

도 10은 다른 실시예에 의한 증강현실 및/또는 가상현실용 디스플레이 장치(이하, 제2 디스플레이 장치)를 보여준다. 도 9에서 설명한 부재에 대해서는 동일한 참조번호를 사용하고 그에 대한 설명은 생략한다.

도 10을 참조하면, 제2 디스플레이 장치(DA2)는 이미지나 영상이 표시되는 스크린(70)과 스크린(70)에 가상 현실 이미지나 영상을 공급하는 가상 이미지 공급 유닛(102)과 반사부재(100)를 포함한다. 반사부재(100)는 스크린(70)과 가상 이미지 공급 유닛(102) 사이에 배치되어 있다. 가상 이미지 공급 유닛(102)으로부터 방출된 광(10L)은 가상 현실 이미지나 영상을 포함한다. 광(10L)은 반사부재(100)에서 반사되어 스크린(70)에 입사된다. 반사부재(100)는 반사부재(100)에서 반사된 광이 스크린(70)에 비스듬하게 입사되는 위치에 배치될 수 있다. 일 예로, 반사부재(100)는 반사부재(100)로부터 방출된 광이 45도 이상의 입사각으로, 예컨대 75도 이상의 입사각으로 스크린(70)에 입사되도록 배치될 수 있다. 반사부재(100)의 경사각을 조절하거나 반사부재(100)와 스크린(70) 사이의 각을 상호 조절함으로써, 반사부재(100)의 이러한 조건을 충족시킬 수 있다. 반사부재(100)는 스크린(70)의 이미지가 표시되는 영역 전체에 광(10L)을 비출 수 있는 반사면을 갖는 거울 또는 프리즘이거나 이러한 부재를 포함할 수 있다.

도 9나 도 10의 디스플레이 장치(DA1, DA2)는 사용자가 휴대할 수 있는 형태로 만들어질 수도 있다.

도 11과 도 12는 도 10의 제2 디스플레이 장치(DA2)가 안경 형태로 만들어진 경우에 대한 일 예를 보여준다.

도 11은 증강 현실을 보여주는 경우를 나타내고, 도 12는 가상현실만 보여주는 경우를 나타낸다.

도 11을 참조하면, 증강현실 및/또는 가상현실용 디스플레이 안경(80)은 제1 안경테(82)와 제1 안경테(82)의 좌우측에 각각 장착되는 제1 및 제2 안경알(88L, 88R)과 영상 투사 유닛(84)과 반사부재(90)를 포함한다. 제1 안경테(82) 양쪽에 각각 제2 안경테(82L)와 제3 안경테(82R)가 연결되어 있다. 제2 및 제3 안경테(82L, 82R)는 각각 사용자의 좌측 및 우측 귀에 걸리는 부분이다. 제1 안경테(82)는 보통 안경의 안경알이 장착되는 테와 유사한 형태일 수 있으나, 안경알(88L, 88R) 이외의 영역을 통한 외부광 유입을 최대한 차단할 수 있는 형태를 가질 수 있다. 일 예로, 안경알(88L, 88R) 둘레의 안경테(82)에 광의 유입을 막는 펜스(fence)가 구비될 수도 있다. 제1 안경알(88L)은 사용자의 좌안에 대응되고, 제2 안경알(88R)은 사용자의 우안에 대응될 수 있다. 제1 및 제2 안경알(88L, 88R)은 증강현실 및/또는 가상현실의 이미지나 영상이 표시되는 영역으로써, 도 9의 스크린(70)이거나 스크린(70)을 포함하는 것일 수 있다. 영상 투사 유닛(84)은 가상 현실의 이미지나 영상을 공급하는 유닛으로, 도 10의 가상 이미지 공급 유닛(102)에 대응될 수 있다. 영상 투사 유닛(84)은 도면에서 보이지는 않지만, 제3 안경테(82R)의 내측에 대응하는 제2 안경테(82L)의 내측에도 구비될 수 있다. 반사부재(90)는 거울 또는 프리즘이거나 이러한 부재를 포함할 수 있다. 도 11에서 참조부호 RE는 안경알(88L, 88R)을 통해 보여지는, 곧 안경알(88L, 88R)에 입사되는 실제 상, 곧 현실 세계의 이미지를 나타낸다. 그리고 참조부호 VE는 영상 투사 유닛(84)으로부터 제공되는 가상 현실의 이미지를 나타낸다. 도 11에서 안경알(88L, 88R)에 표시된 이미지는 상기 현실 세계의 이미지와 영상 투사 유닛(84)으로부터 공급되는 가상 현실의 이미지가 겹쳐진 증강현실의 이미지에 대한 일 예를 보여준다.

한편, 안경알(88L, 88R)의 표시 동작을 제어하면, 외부의 광(예컨대, P-편광)이 안경알(88L, 88R)의 안쪽면에 도달되지 않는다. 이 결과, 안경알(88L, 88R)에 도 12에 도시한 바와 같이 현실 세계의 이미지는 표시되지 않으며, 영상 투사 유닛(84)으로부터 공급되는 가상 현실의 이미지나 영상만 안경알(88L, 88R)에 표시된다. 곧, 안경알(88L, 88R)에는 가상 현실의 이미지나 영상만 표시되어 안경(80)은 가상현실용 디스플레이 장치가 된다. 영상 투사 유닛(84)으로 다양한 디스플레이가 사용될 수 있는데, 예를 들면, 디지털 광 처리(Digital Light Processing, DLP) 디스플레이, 디지털 마이크로 미러 디바이스(Digital Micromirror Device, DMD) 디스플레이 또는 엘코스(LCoS: Liquid Crystal on Silicon) 디스플레이가 사용될 수 있다.

다음에는 일 실시예에 의한 스크린의 제조방법을 설명한다.

도 13 내지 도 18은 일 실시예에 의한 스크린에서 메타 표면을 갖는 회절 플레이트를 편광자 상에 형성하는 단계를 보여준다.

도 13은 편광자(130)의 단면을 보여준다. 편광자(130)는 도 7과 도 8의 제2 편광자(56)에 대응된다. 편광자(130)는 투명 기판(96)과 그 위에 형성된 복수의 와이어 그리드 편광자 패턴(98)을 포함한다. 투명기판(96)은, 예를 들면 유리 기판일 수 있다. 복수의 와이어 그리드 편광자 패턴(98)은 P-편광에 투명하고, S-편광은 차단하도록 배치될 수 있다. 따라서 투명기판(96) 아래에서 입사되는 광이 P-편광이면, 광은 편광자(130)를 통과할 수 있고, 투명기판(96) 아래에서 입사되는 광이 S-편광이면, 광은 편광자(130)를 통과하지 못한다. 복수의 와이어 그리드 편광자 패턴(98)은 서로 주어진 간격으로 이격되어 있다. 상기 간격은 일정할 수 있다.

다음, 도 14에 도시한 바와 같이, 투명기판(96) 상에 복수의 와이어 그리드 편광자 패턴(98)을 덮고, 복수의 와이어 그리드 편광자 패턴(98) 사이를 채우는 중간 물질층(104)을 형성한다. 중간 물질층(104)은 광에 투명한 물질층일 수 있다. 예를 들면, 중간 물질층(104)은 실리콘 산화물층(예, SiO2)일 수 있다. 중간 물질층(104)을 형성한 다음, 평탄화 공정으로 그 상부면을 평평하게 한다. 상기 평탄화 공정은 식각 공정일 수 있으며, 식각 공정을 통해서 중간 물질층(104)의 두께를 설정된 두께로 줄인다(도 15). 상기 식각 공정은 복수의 와이어 그리드 편광자 패턴(98)이 노출되지 않는 조건에서 수행될 수 있다.

상기 식각 공정이 완료된 후에는 도 16에 도시한 바와 같이, 중간 물질층(104) 상에 메타 패턴으로 복수의 회절패턴(120)을 형성한다. 따라서 중간 물질층(104) 상에 복수의 회절패턴(120)으로 이루어지는 메타 표면이 형성된다. 복수의 회절패턴(120)은 나노 임프리트 방법을 이용하여 형성될 수 있다. 복수의 회절패턴(120)은 입사광의 파장보다 작은 치수(예, 피치, 폭, 높이 등)을 가지며, RCWA(Rigorous Coupled-Wave Analysis)를 이용하여 설계될 수 있다. 복수의 회절 패턴(120)은 도 1의 복수의 회절패턴(34)에 대응하도록 형성될 수 있다. 따라서 복수의 회절패턴(34)은 1차 회절광에 대한 고효율 산란을 위해 입사광에 대해 오목하게, 곧 입사광의 진행 방향으로 볼록한 형태로 형성될 수 있다. 복수의 회절패턴(120)의 굴절률은 2.5 이하일 수 있는데, 일 예로 고효율 동작과 작은 종횡비를 위해 복수의 회절패턴(120)의 굴절률은 1.35~2.5 정도일 수 있다. 복수의 회절패턴(120)은 폴리머(polymer) 또는 SiO2와 같은 저 손실 유전체 물질을 포함하여 형성된 것일 수 있다. 여기서 ‘저 손실’은 입사광 흡수 손실이 낮음을 의미한다. 복수의 회절패턴(120) 중 일부의 폭은 나머지와 다를 수 있다. 일 예로, 복수의 회절패턴(120) 중 일부의 폭은 복수의 와이어 그리드 편광자 패턴(98)의 폭과 동일할 수 있고, 복수의 회절패턴(120) 중 나머지의 폭은 복수의 와이어 그리드 편광자 패턴(98)의 폭과 다를 수 있다. 다른 예에서, 복수의 회절패턴(120) 각각의 폭은 모두 복수의 와이어 그리드 편광자 패턴(98)의 폭과 다를 수 있다.

도 17과 도 18은 중간 물질층(104)이 도 14와 다른 형태로 증착되는 과정을 보여준다.

도 17을 참조하면, 투명기판(96) 상에 중간 물질층(104)을 형성하는데, 중간 물질층(104)은 복수의 와이어 그리드 편광자 패턴(98) 사이를 채우지 않고, 복수의 와이어 그리드 편광자 패턴(98) 상에 형성되고, 복수의 와이어 그리드 편광자 패턴(98) 사이를 연결하는 형태로 증착된다. 곧, 중간 물질층(104)은 복수의 와이어 그리드 편광자 패턴(98)에 의해 지지되는 형태로 형성될 수 있다. 이에 따라 복수의 와이어 그리드 편광자 패턴(98) 사이에는 보이드(void)(170)가 형성될 수 있다. 도 17에 도시한 형태로 형성되는 중간 물질층(104)을 증착하는 방법은 도 14에 도시한 형태로 형성되는 중간 물질층(104)을 증착하는 방법과 다를 수 있다. 도 14에서 중간 물질층(104)은, 예컨대 원자층 증착방법을 이용하여 형성될 수 있고, 도 17에서 중간 물질층(104)은 원자층 증착방법보다 증착 정밀도가 낮은 증착방법을 이용하여 형성될 수 있다. 중간 물질층(104)이 형성된 이후, 도 18에 도시한 바와 같이, 중간 물질층(104)의 두께를 줄이고, 그 위에 복수의 회절패턴(120)이 형성되는데, 이 과정들은 도 15와 도 16에서 설명한 바와 동일할 수 있다. 복수의 회절패턴(120)을 회절격자 혹은 회절격자층으로 본다면, 도 18은 기판(96+98)과 회절격자(120) 사이에 중간 물질층(104)이라는 유전층이 삽입된 층 구성을 보여주는데, 이러한 층 구성에서 중간 물질층(104)의 두께는 입사광의 파장의 n배(n=1, 2, 3,…)일 수 있다.

앞선 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 권리의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 때문에 권리의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고, 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.

4L1:입사광 10L:가상현실 이미지를 포함하는 광
30:회절격자 소자 32:기판
34:복수의 회절패턴(메타 패턴) 34A:주 회절패턴
34B, 34C:제1 및 제2 보조 회절패턴 34P:제1 회절패턴
40, 74:사용자 42:광원
52, 56:제1 및 제2 편광자 54:액정층
58:메타 표면을 갖는 회절 플레이트
62:회전 편광자 70:스크린
72, 102:가상 이미지 공급 유닛
80:증강 및/또는 가상현실용 디스플레이 안경
82, 82L, 82R:제1 내지 제3 안경테 84:영상 투사 유닛
88L, 88R:안경알 90, 100:반사부재
96:투명기판
98:복수의 와이어 그리드 편광자 패턴
104:중간 물질층 120:복수의 회절패턴
130:편광자 170:보이드
A1, A2:제1 및 제2 영역
DA1, DA2:제1 및 제2 디스플레이 장치
DP1, DP2:제1 및 제2 스크린 H1:주 회절패턴의 높이
LA:광축
L1:회절 플레이트 뒤쪽에서 입사되는 광
L2, RL:외부광 L2P:P-편광
P1-P3:제1 내지 제3 피치 RE:현실 세계의 이미지
VE:가상현실의 이미지 VR:가상 현실을 포함하는 광
W2:주 회절패턴의 너비 W3, W4:보조 회절패턴의 너비
W1:제1 회절패턴의 너비

Claims (29)

1. 기판; 및
   상기 기판 상에 배치된 회절격자;를 포함하고,
   상기 회절격자는 복수의 메타 회절패턴을 포함하고,
   상기 복수의 메타 회절패턴은 상기 기판에 평행한 한 방향으로 볼록한 회절격자 소자.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 복수의 메타 회절패턴에 45°이상의 입사각으로 입사되는 광에 대해서 상기 복수의 메타 회절패턴 각각은 자신의 상부면에서 반사된 광과 자신의 밑면에서 반사된 광이 서로 상쇄 간섭을 일으키는 높이를 갖는 회절격자 소자.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 기판과 상기 회절격자 사이에 마련된 유전층을 더 포함하고,
   상기 유전층의 두께는 입사광의 파장의 n배(n=1,2,3..)인 회절격자 소자.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 회절격자의 굴절률은 1.35~2.5인 회절격자 소자.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 복수의 메타 회절패턴의 일부는 각각 주 회절패턴과 보조 회절패턴을 포함하는 회절격자 소자.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 복수의 메타 회절패턴들은 형성된 위치에 따라 서로 다른 회절특성을 나타내도록 배치된 회절격자 소자.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 복수의 메타 회절패턴의 일부는 주 회절패턴만 포함하는 회절격자 소자.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 기판은 반사형 와이어 그리드 편광자인 회절격자 소자.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 복수의 메타 회절패턴에서 각 메타 회절패턴의 치수는 상기 복수의 메타 회절패턴에 입사되는 광의 파장보다 작은 회절격자 소자.
10. 제 5 항에 있어서,
    상기 보조 회절패턴은 그 수가 증가하면서 고 회절효율을 얻을 수 있는 음의 회절각도 범위가 증가하도록 배치된 회절격자 소자.
11. 제1 편광자:
    상기 제1 편광자 다음에 배치된 제2 편광자; 및
    상기 제2 편광자를 통과한 편광에 투명하고, 상기 편광에 수직한 편광은 반사시키는 회절격자를 포함하고,
    상기 회절격자는,
    입사광의 진행방향으로 볼록하게 형성된 복수의 메타 회절패턴을 포함하는 스크린.
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제1 편광자와 상기 제2 편광자는 동일한 편광 특성을 갖는 스크린.
13. 제 11 항에 있어서,
    상기 제1 편광자와 상기 제2 편광자는 서로 반대되는 편광 특성을 갖는 스크린.
14. 제 11 항에 있어서,
    상기 제1 편광자는 광축을 중심으로 회전 가능하도록 마련된 편광자인 스크린.
15. 제 11 항에 있어서,
    상기 제1 편광자와 상기 제2 편광자 사이에 액정층이 더 구비된 스크린.
16. 제 11 항에 있어서,
    상기 제2 편광자는 반사형 와이어 그리드 편광자인 스크린.
17. 제 15 항에 있어서,
    상기 제1 편광자와 상기 제2 편광자는 동일한 편광특성을 갖는 스크린.
18. 제 17 항에 있어서,
    상기 액정층은 상기 제1 편광자를 통과한 편광을 그대로 통과시키는 액정 배열 상태를 갖는 스크린.
19. 제 17 항에 있어서,
    상기 액정층은 상기 제1 편광자를 통과한 편광을 90°회전시키는 액정 배열 상태를 갖는 스크린.
20. 제 11 항에 있어서,
    상기 복수의 메타 회절패턴에서 각 메타 회절패턴의 치수는 상기 복수의 메타 회절패턴에 입사되는 광의 파장보다 작은 스크린.
21. 이미지가 표시되는 스크린; 및
    상기 스크린에 가상현실 이미지를 공급하는 영상 공급 유닛;을 포함하고,
    상기 스크린은 청구항 11 내지 20 중 어느 하나인 디스플레이 장치.
22. 제 21 항에 있어서,
    상기 스크린과 상기 영상 공급 유닛 사이에 배치된 것으로, 상기 가상현실 이미지를 상기 스크린으로 반사시키는 반사부재를 더 포함하는 디스플레이 장치.
23. 제 22 항에 있어서,
    상기 반사부재는 상기 스크린에 대한 상기 가상현실 이미지의 입사각이 45°이상, 90°이하가 되도록 배치된 디스플레이 장치.
24. 제 21 항에 있어서,
    상기 스크린은,
    사용자의 좌안에 대응하는 제1 스크린; 및
    사용자의 우안에 대응하는 제2 스크린;을 포함하고,
    상기 제1 및 제2 스크린은 안경테에 장착된 디스플레이 장치.
25. 제1 편광자 상에 제2 편광자를 형성하는 단계;
    상기 제2 편광자 상에 투명한 중간 물질층을 형성하는 단계; 및
    상기 중간 물질층 상에 상기 제2 편광자를 통과한 편광에 투명하고, 상기 편광에 수직한 편광은 반사시키는 회절격자를 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 회절격자는,
    복수의 메타 회절패턴을 포함하고,
    상기 복수의 메타 회절패턴은 입사광의 진행방향으로 볼록하게 형성하는 스크린의 제조방법.
26. 제 25 항에 있어서,
    상기 제2 편광자를 형성하는 단계는,
    기판 상에 복수의 와이어 그리드 편광자 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 스크린의 제조방법.
27. 제 26 항에 있어서,
    상기 중간 물질층을 형성하는 단계는,
    상기 복수의 와이어 그리드 편광자 패턴을 덮고, 상기 복수의 와이어 그리드 편광자 패턴 사이를 채우는 상기 중간 물질층을 상기 기판 상에 형성하는 단계를 포함하는 스크린의 제조방법.
28. 제 26 항에 있어서,
    상기 중간 물질층을 형성하는 단계는,
    상기 복수의 와이어 그리드 편광자 패턴 사이에 보이드가 형성되도록 상기 기판 상에 상기 복수의 와이어 그리드 편광자 패턴을 덮는 상기 중간 물질층을 형성하는 단계를 포함하는 스크린의 제조방법.
29. 제 25 항에 있어서,
    상기 복수의 메타 회절패턴에서 각 메타 회절패턴의 치수는 상기 복수의 메타 회절패턴에 입사되는 광의 파장보다 작은 스크린의 제조방법.

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